1000m3氧气球罐应力分析设计毕业设计论文.doc

专科生毕业设计（论文）题 目：1OO0m3氧气球罐应力分析设计学生姓名： 系 别： 专业年级： 指导教师： 摘 要 球罐是一种钢制容器设备。在石油炼制工业和石油化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。操作温度一般为-5050,操作压力一般在3MPa以下。球罐与圆筒容器（即一般贮罐）相比，在相同直径和压力下，壳壁厚度仅为圆筒容器的一半，钢材用量省，且占地较小，基础工程简单。但球罐的制造、焊接和组装要求很严，检验工作量大，制造费用较高。球罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。对1000氧气球罐的应力分析设计，分别对球罐整体及其上下极开孔结构压力试验工况、操作工况、地震工况和压力波动，疲劳工况的应力进行了有限元分析，对其应力进行强度和疲劳寿命评定校核。关键词：球罐；高压；轻介质；有限元；应力分析；疲劳；地震；开孔 前 言 球形容器在我国的应用领域非常广泛，例如，在石油、化工、冶金、城市煤气等工业总，球型容器被用于储存野花石油气、液氧、液氮、液氢、液氨、氧气、氮气、天然气、城市煤气、压缩空气等物料；在原子能发电站，球形容器用作核安全壳；在造纸厂用作蒸煮球；在化工厂也被用作反应器等。固我们把用于储存气体或液体介质的球形容器被称作球形储罐（简称“球罐”）。第一章 绪 论1.1 球罐的发展史 早在1910年，美国就开始制造球罐，1950年以后才得到初步发展。60年代以后，由于石油化工的高速发展，需要将液化天然气及液化石油气进行大规模的运输和贮存，球罐的应用得到进一步发展,不仅数量迅速增加,日趋大型化，而且向超高压、极低温发展。国际上目前最大液态介质球罐直径27.4m,容积10770m3；最大城市煤气球罐直径 72.55m，容积200000m3。中国目前大多数球罐容积为2001000m3,最大容积8250m3、直径25.1m。近几年我国很多钢厂改扩建，需建造大容量氧气和氮气球罐，因球罐设计压力大于3 MPa，采用常规设计建造lO00m3的氧气球罐，球壳厚度将超过5Omm。给选材和建造带来很多难以解决的问题，采用分析设计建造1000m3氧气球罐是唯一的方法。1.2 球罐的类型概括球罐的形状有圆球型和椭球型。绝大多数为单层球壳。低温低压下贮存液化气体时则采用双重球壳，两层球壳间填以绝热材料。采用最广泛的为单层圆球型球罐（见彩图）。球壳是由多块压制成球面的球瓣以橘瓣式分瓣法、足球式分瓣法或足球橘瓣混合式分瓣法组焊而成。球罐的支撑结构最常见的为赤道正切式，其次为对称式、裙座式、半埋地式和盆式。椭球型球罐通常用于常温下贮存饱和蒸气压比大气压稍高的、挥发性强的液态烃（如汽油等）,操作压力为0.120.3MPa，容积一般在5006000m3范围内。更大容积时,应采用复式椭球型球罐。 制造球罐的材料要求强度高，塑性特别是冲韧性要好，可焊性及加工工艺性能优良。球罐的焊接、热处理及质量检验技术是保证质量的关键。按储藏温度 ：球罐一般用于常温或低温，只有极个别场合，如造纸工业用的蒸煮球罐，使用温度高于常温。（1） 常温球罐 如液化石油气、氮、煤气、氧等球罐。一般说这类球罐的压力较高，取决于液化气的饱和蒸汽压或压缩机的出口压力。常温球罐的设计温度大于-20（2） 低温球罐 这类球罐的设计温度低于或等于-20，一般不低于-100。 （3） 深冷球罐 设计温度-100以下往往在介质液化点以下储存，压力不高，有时为 常压。由于对保冷要求较高，常采用双层球壳。目前国内使用的球罐，设计温度一般 在-4050之间。 按结构形式分类 按形状分有圆球形、椭圆形、水滴形或上述几种的混合。 球形罐按分瓣方式有橘瓣式、足球瓣式、混合式三种。 圆球形按支撑方式分有支柱式、裙座式两大类。第二章 球罐设计标准及数据参数2.1 球罐设计标准 GB123371998球制球形储罐适用于碳素钢和低合金钢制球形储罐的设计、制造、组焊、检验和验收，标准规定的技术内容是球罐设计、制造、组焊的最基本要求。设计技术参数的确定。2.2球罐设计参数球罐设计技术参数主要有设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力等。表一球罐及材料和结构参数采用和参考标准 JB473295(钢制压力容器分析设计标准，GB1233798(钢制球形储罐支柱结构形式 赤道正切c型支柱操作压力 3MPa 球壳负偏差 O.25mm 拉杆直径 48mm设计压力 3.15MPa 球壳焊缝系数 1 球壳材料 07MnCrM OVR压力变化 1.62.8MPa 压力试验类型 液压 开孔凸缘材料 08M nNiCrM OVD设计寿命 15年 试验压力 3.938MPa 支柱材料 16MnR循环次数 7、5×次 球壳内径 12300mm 拉杆材料 20操作温度 一1O5O 支柱内径 500mm 球壳抗拉强度 61OMPa 设计温度 50 公称容积 1000 球壳屈服应力 490MPa 操作介质 氧气 容积 974 球壳应力强度 235MPa 介质密度 46.44kg 支柱厚度 1Omm 凸缘抗拉强度 600MPa基本风压350N 支柱高度 8O00mm 凸缘屈服应力 480MPa基本雪压 400 N 支柱个数 8 凸缘应力强度 231MPa地震烈度 7近震 连接板厚度 16mm 支柱屈服应力 345MPa场土类别 II1 人孔上下极各一 5OO 支柱许用应力 23OMPa地区类 B 进出气孔下极 25O 拉杆屈服应力 230MPa球壳腐蚀裕度 1.5mm 安全阀孔上极 150 拉杆许用应力MPa 1533拉杆腐蚀裕度 3mm 放气孔上极 100 球壳厚度 45mm第三章 球罐整体结构的有限元分析3.1 液压试验工况由于结构和受力的对称性，不考虑拉杆的影响，可取一台球罐的十六分之一作为分析模型，受结构重力、液压介质重力和试验压力的作用下，球壳上极点压力3938 MICa，球壳下极点压力4058 MPa，支柱下端约束了三个方向的位移，支柱对称面和两支柱间对称面为对称边界，约束了边界面法向位移。液压试验工况球罐三维有限元分析得出：第三应力强度应力最大值362795 MPa，位置在连接板下部球壳外壁，按一次应力考虑，球壳最大应力不满足强度要求。支柱上端内侧轴向应力一172743 MPa，下端外侧轴向应力一202784 MPa，支柱应力满足强度和稳定性要求。3.2 设计工况由于结构和受力的对称性，同样可取一台球罐的十六分之一作为分析模型，受结构重力、物料介质重力和介质设计压力的作用下，球壳上极点压力315 MPa，球壳下极点压力3155 MPa，边界条件与液压试验工况相同，设计工况球罐三维有限元分析得出：第三应力强度应力最大值293932 MPa，位置在支柱帽上部球壳外壁，按一次应力考虑，球壳最大应力满足强度要求。支柱上端内侧轴向应力一85821 MPa，下端外侧轴向应力一77901 MPa，支柱应力满足强度和稳定性要求。3.3 压力波动疲劳工况在线弹性分析中，结构变形和应力与载荷成线性关系，压力波动1.6 2.8 MPa与01.2 MPa的应力变化值是相同的，所以分析计算1.2 MPa内压作用下球罐结构的应力，可作为压力波动球罐整体结构的应力变化值。球罐整体结构压力波动工况三维有限元分析得出：第三强度理论的当量应力最大应力在上支柱u形板与连接板上方外侧筋板上端连接处，最大值为115.7ll MPa；球壳最大应力在支柱帽上部，球壳最大应力为112942 MPa。3.4 地震工况由结构和受力的对称性，可沿地震力方向两支柱对称面切开，取球罐整体结构的二分之一作为地震工况分析模型。只考虑受拉拉杆，不考虑受压拉杆。球罐安装好之后上紧拉杆，拉杆的受力与球罐结构重力无关，在地震工况分析计算中应消除球罐结构重力在拉杆上引起的应力。位移边界条件，支柱下端截面约束了三个方向的所有位移，两支柱对称面(对称边界条件)约束了法向位移。考虑结构重力和介质重力及水平地震载荷，地震水平方向加速度(球罐整体结构水平刚度通过有限元分析计算，加速度的计算方法参照GB1233798) a=09354 m，因地震惯性力与重力是共性载荷，可将地震载荷处理为水平重力。铅垂方向的重力加速度g=981m ，地震水平方向加速度口=09354 m，合成为斜向重力加速度G=9854m，考虑介质设计压力3.15 MPa，球壳内壁受上方(略斜)压力3.15 MPa，下方(略斜)3.155 MPa。球罐整体结构地震工况三维有限元分析得出：第三应力强度等效应力值最大值为294.377MPa，位置在地震力方向前支柱帽上部球壳外壁。按一次应力考虑，球壳最大应力满足强度要求。支柱最大应力是震向前支柱上端内侧最大轴向压应力249.212 MPa，下端外侧最大轴向压应力218.903MPa，支柱应力满足强度和稳定性要求。第四章 球罐开孔结构的有限元分析 不考虑接管附加外力，水平地震载荷对开孔凸缘接管部位引起的附加应力较小，可忽略不计，所以开孔凸缘接管部位只进行压力试验和正常操作两种工况。按JB473295要求，开孔凸缘与球壳连接处膜应力可按局部薄膜应力考虑，条件是两开孔凸缘距离必须大于2.5=2.5=1315.2mm，几个开孔的应力没有偶合，每个孔可以单个计算，球壳上、下极开孔凸缘结构不满足此要求，球壳上、下极开孔凸缘结构应考虑孔与孔的偶合作用，几个开孔应一体同时计算，分析计算中厚度均取有效厚度。开孔凸缘部位最大应力在孔凸缘与球壳连接处和孔凸缘内拐角过渡圆弧处，法兰、螺栓及弯管对这两点影响较小，计算中不考虑法兰、螺栓及弯管的影响。4.1 下极开孔结构球壳下极有500人孔 和250的进、出气孔，人孔在球壳下极正中，进、出气孔中心轴与球壳内壁交点至球壳铅垂轴的距离1266mm。取下极60度的球冠作为分析模型体，由两孔中心轴确定的球壳大圆面为结构和载荷对称面，沿该平面将球冠和两孔凸缘切取其一半为有限元分析模型。考虑1.5 mm的腐蚀裕度，0.25 mm的钢板负偏差，球壳内半径6151.75 mm，球壳有效壁厚43.25 mm。人孔内直径503 mm，接管有效壁厚15mm进出气孔内直径244 mm，接管有效壁厚15 mm。 (1) 液压试验工况人孔接管端部轴向应力 =32.97MPa(按内压圆筒轴向应力计算公式求得，下同)，进出气孔接管端部轴向应力=15.48MPa，内壁受压力4058 MPa作用，两孔中心轴球壳大圆面和球冠边界面均为对称面，约束了其法向位移。三维有限元分析得出：按第三强度理论的当量应力最大值556.954 MPa，位置在250的进出气孑L凸缘内拐角过渡圆弧处，应力集中系数1.9457。凸缘内拐角处按二次应力考虑，其它部位按一次应力考虑，球壳和凸缘最大应力满足强度要求。(2) 设计工况内壁受压力3.15MPa作用，人孔接管端部轴向应力 =25.63MPa，进出气孔接管端部轴向应力=12.04MPa。三维有限元分析得出：第三强度理论的当量应力最大值433.033 MPa，位置在250的进出气孔凸缘内拐角过渡圆弧处。凸缘内拐角处按二次应力考虑，其它部位按一次应力考虑，球壳和凸缘最大应力满足强度要求。4.2 上极开孔结构球壳上极有 500人孔和 150的安全阀孔及100的放气孔，人孔在球壳上极正中，安全阀孔及放气孔的中心轴与球壳内壁交点至球壳铅垂轴的距离1200mm，安全阀孔所在位置的经度为335，放气孔所在位置的经度为25。取上极60的球冠作为分析模型体，为了简化计算，将球壳上极板的铅垂对称面近视为结构和载荷对称面(球壳上极近似为对称布置5孔)，沿该平面将球冠和开孔凸缘切取其一半为有限元分析模型。考虑1.5mm的腐蚀裕度，0.25mm的钢板负偏差，壳内半径6151.75mm，球壳有效壁厚43.25mm。人孔内直径503mm，接管有效壁厚15 mm；安全阀孑L内直径134mm，接管有效壁厚l3mm；放气孔内直径91mm，接管有效壁厚9mm。(1)液压试验工况人孔接管端部轴向应力 =31.99MPa，安全阀孔接管端部轴向应力=9.174MPa，放气孔接管端部轴向应力=8.95MPa，内壁受压力3.9375MPa作用，上极板的横向对称面和球冠边界面为对称面，约束了其法向位移。三维有限元分析得出：第三强度理论的当量应力最大值613.901 MPa，位置在 100的放气孔凸缘内拐角过渡圆弧处，应力集中系数2.2104。凸缘内拐角处按二次应力考虑，其它部位按一次应力考虑，球壳和凸缘最大应力满足强度要求。(2)设计工况内壁受压力3.15 MPa作用，人孔接管端部受轴向应力=2569MPa，安全阀孔接管端部受轴向应力=734MPa，放气孔接管端部受轴向应力=716MPa。三维有限元分析得了：第三强度理论的当量应力最大值491.121 MPa，位置在100的放气孔凸缘内拐角过渡圆弧处，凸缘内拐角处按二次应力考虑，其它部位按一次应力考虑，球壳和凸缘最大应力满足要求。第五章 影响球罐的因素 氧气球罐设计压力较高，氧气介质密度较小，在正常操作工况，介质重力产生的应力较小，在支柱帽上部因重力抵消压力引起的应力小，所以球壳的最大应力在支柱帽上部球壳外壁，为了减小其应力可适当减小支柱帽的厚度。 在液压试验工况，球罐的总重量是正常操作工况的5倍，球壳和连接板连接处应力较大，为了减小其应力可适当减小连接板的厚度。 球壳厚度是支柱壁厚的45倍，支柱直径也不是很大，球壳刚度远远大于支柱刚度，在内压作用下，支柱对球壳的约束产生的附加应力比较小，而支柱的弯曲应力较大，正常操作工况下，压力是球罐变形和产生应力的定性因素。支柱的结构尺寸是由压力试验工况确定的。 地震工况下球罐受压力、重力、水平地震载荷的共同作用，球罐产生了径向膨胀和铅垂方向的下沉及水平方向的位移，与正常操作工况相比，震向前支柱帽上部和震向后支柱连接板下部球壳应力略有增加，但变化不大，震向前支柱两种载荷产生的弯曲应力相叠加，增加幅度较大，震向后支柱两种载荷产生的弯曲应力相抵消。 球罐开孔结构多孔应力的偶合，大孔对小孔的影响较大，小孔对大孔的影响较小。按等面积补强设计的开孔结构，大孔凸缘与球壳连接处的应力较大，小孔凸缘内拐角应力较大，并且孔越小在孔内拐角的应力越大，因此在需要考虑疲劳寿命的分析设计中，球罐上所有的开孔都应进行应力分析，尤其是小孔。当开孔凸缘内拐角的应力超过屈服应力时，在应力重新分配过程中，凸缘与球壳连接处的应力会增加，应力评定中，凸缘内拐角的薄膜加弯曲应力可按二次应力考虑，凸缘与球壳连接处的薄膜加弯曲应力应按一次应力考虑，薄膜应力按局部薄膜应力考虑，两孔间的距离应避免两孔的薄膜应力大于1.1KSm的区域连为一体。第六章 结 论(1)1000氧气球罐属高压轻介质球罐，设计压力与操作压力相近，操作过程压力频繁地大幅度变化，球壳和开孔结构的应力强度和疲劳寿命设计是球罐设计的关键问题。采用分析设计比常规设计节省材料16，球罐总造价下降近20。(2) 通过对各种工况球罐整体结构和开孔部分的详细有限元应力分析，按分析设计对其应力进行分类、除开孔凸缘内拐角按二次应力考虑外，其它部位均按一次应力考虑，评定应力强度和应力疲劳寿命，球壳和开孔凸缘所有点的应力满足强度和疲劳要求，拉杆应力满足强度要求，支柱应力满足稳定性要求，球罐的设计是安全可靠的。参考文献（1） JB473295钢制压力容器一分析设计标准.（2）GB123371998(钢制球形储罐，中国标准出版社.（3）李永泰，黄金国球形储罐的分析设计压力容器2003.（4）李永泰黄金国球罐支柱型式及其与球壳连接的结构压力容器2003.